炼化企业的智能制造

作者:罗敏明 本文作者任职于中国石化九江分公司。 文章来源:弗戈工业在线 发布时间:2015-10-16
炼化企业是制造业的重要组成部分——本文以炼化企业为例,阐述了其生产特点以及开展智能制造的必要性,并结合九江石化智能工厂建设实践,对炼化企业智能制造关注的重点内容,特别是生产过程中的实时感知能力、机理分析能力、模型预测能力、优化协同能力和智能化应用进行了分析和探讨,以期对炼化企业智能制造有借鉴作用。

炼化企业是制造业的重要组成部分——本文以炼化企业为例,阐述了其生产特点以及开展智能制造的必要性,并结合九江石化智能工厂建设实践,对炼化企业智能制造关注的重点内容,特别是生产过程中的实时感知能力、机理分析能力、模型预测能力、优化协同能力和智能化应用进行了分析和探讨,以期对炼化企业智能制造有借鉴作用。

炼化企业特点及智能制造演进

炼化企业生产过程极为复杂,主要特点有:一是原料物性复杂,其主要原料石油是一种复杂的多组份混合物,既有烷烃、环烷烃、芳香烃等烃类,又包含含氧化合物、含硫化合物、含氮化合物、胶质和和沥青质等非烃组份,且不同产区石油在物理化学性质上存在明显差异;二是生产工艺复杂,石油加工是一个涉及多变量协调的生产过程,不同工艺路线、工艺参数会产出不同目的产品及收率,装置产出同时包含着各种不同半成品或成品并存在物料回流的情况。三是生产装备复杂,石油加工涉及塔类、罐区、换热设备、机泵、管线等品种类型众多,且高温高压高腐蚀,对设备可靠性有严格要求。四是当前安全环境因素、经济及社会效益和管理效率要求使石油化工生产面临严峻挑战。

当前,炼油化工企业DCS、PLC系统已成为主要控制手段,自动化控制程度相对较高,同时也面临着巨大的市场环境变化。我国石化企业普遍大而不强,市场竞争日趋激烈、原油价格急剧波动、安全环境日益严格等诸多因素,给石化企业精细化生产、经济效益提升带来了前所未有的挑战。如何利用智能制造技术实现传统产业转型升级、提质增效,是石油化工行业应对挑战必须思考的问题,德国“工业4.0”给了我们有益的启示。在炼油化工企业生产装备及能力基本定型的情况下,通过智能制造改造,利用3C(Computation、Communication、Control)技术的有机融合与深度协作,在计划调度、生产执行、设备维护、安全环保和故障诊断等各环节广泛应用人工智能技术,实现石油化工复杂流程制造过程的实时感知、动态控制优化和信息服务,从而使生产制造过程智能化,是非常必要的,对解决石油化工生产制造过程中面临的问题具有重要意义。

九江石化智能工厂建设实践

2012年2月,九江石化作为中国石化首批试点建设智能工厂的4家炼化企业之一,开启智能工厂建设进程。九江石化智能工厂建设目标:“提高发展质量、提升经济效益、支撑安全环保、固化卓越基因”,重点围绕“计划调度、安全环保、能源管理、装置操作、IT管控”五个领域,实现具有“自动化、数字化、可视化、模型化、集成化”特征的智能化应用。

初步成果

一是智能工厂框架已初步形成。在现有以ERP为核心的经营管理平台、以MES为核心的生产运营平台和IT基础设施三大平台基础上,进一步建成投用了集中集成平台、全流程优化平台、三维数字化平台和应急指挥平台,初步实现了“感知实时化、数据标准化、应用集成化、装置数字化、网络高速化、全厂互联化”,支撑企业在“全面感知、预测预警、协调优化、科学决策”等方面实现持续进步和提升。

二是九江石化智能工厂神经中枢—生产管控中心建成投用。

生产管控中心按照“中心控制区、调度指挥区、运行管理区、基础设施区、辅助功能区”布局,应用多项业内领先的IT及管控技术,创新管理方法,实现了“经营优化、生产指挥、工艺操作、运行管理、专业支持、应急保障”等“六位一体”功能定位。

三是集中集成和标准化取得重要进展。企业运营级数据仓库在国内流程制造行业首次上线运行;集成了13个业务系统的各类数据,为9个业务系统提供其所需求的有效数据;在中国石化标准化平台基础上,通过“采标、扩标、建标”方式,完成生产物料等40个标准化模板和36类主数据收集。

四是生产装置数字化平台投用。基于工程设计的三维数字化平台,以业务需求为导向,以运营级数据仓库为支撑,以三维数字化装置为界面,集成了大量实时数据和精细化管理所需数据,如实时工艺参数、实时设备状态及信息、班组操作绩效、采样点质量分析数据、实时环境分析数据、可燃及有毒有害气体报警、视频监控等。实现了工艺管理、设备管理、HSE管理、操作培训、三维漫游、视频监控等六大类深化应用。

五是全流程优化平台投入运行。炼油全流程优化平台在国内同行中首次实践,提升了PIMS、RSIM、ORION、SMES一体化联动优化功效,实现了全流程优化的闭环管理。平台采用“中心交换式”集成模式,通过运营级数据仓库(ODS)与原油评价、LIMS、SMES、ERP等系统共享数据,提升了全流程优化的敏捷性和准确性,助力企业持续提升经济效益。

六是HSE管理、应急指挥平台上线运行。HSE管理系统通过广泛HSE观察,实现HSE全员、全过程覆盖,及时发现身边安全隐患,实现从事后管理向事中、事前管理的转变;HSE备案系统长期有效运行,通过对当天每项作业实行“五位一体”有效监管,确保每项作业受控;各类报警和视频监控实现集中管理和联动,增加了事前预防功能,异常情况可实现快速响应;环保地图系统实时在线监测各类环境信息,异常情况可实现及时处置和闭环管理。应急指挥实现了实时化、可视化,应急事件按预案及时响应、有效处置。

应用成效

在智能工厂各类信息系统支撑下,近年来,九江石化在生产经营、发展建设、企业管理和企业文化建设等领域均取得长足进步。一是本质安全水平不断提升。公司借助信息化手段,多角度、全方位、全覆盖提升安全管理水平,自2010年以来,连续5年获评中国石化集团公司安全生产先进单位。二是环保管理取得较好成效。公司持续推进清洁生产,全过程控制污染物,依托“环保地图”、短信平台等信息技术,实现了环保管理从末端治理向源头治理、从结果管理向过程管理、从事后管理向事中事前管理的转变。外排污染物数据全部向社会公开,主要污染物排放指标均处于行业内领先水平。三是实现敏捷生产、提高经济效益。公司生产经营优化团队利用全流程优化平台,捕捉市场机遇,实时开展资源配置优化、加工路线优化、生产装置优化等工作,2014年,滚动测算127个案例,增加经济效益2.2亿元;助力公司加工吨原油边际效益在沿江5家炼化企业排名逐年上升,2014年位列沿江企业首位。四是管理效率大幅提升。协同业务流程、资金在线支付、视频交接班、融合通讯等信息技术应用,助推公司持续提升管理效率。在生产装置不断增加的情况下,公司直属单位数量由40个精简为36个,外操室数量减少35%,班组数量13%,员工总数减少12%。

炼化企业智能制造探讨

结合九江石化智能工厂建设实践案例,可以了解到,尽管炼化企业特点决定了其与离散行业完全不同的生产管理模式(如生产过程须统筹考虑加工能力、原材料物性、成品半成品、储存、公用工程、销售等环节之间关联与协同,流程之间实时计量、实时分析与处理的难度等因素),但只要综合把握炼化企业生产特点,在企业生产装备及能力基本定型的情况下,通过管理创新和先进技术应用,实现炼化企业智能制造建设目标、提高企业核心竞争力,仍是有效手段。炼化企业生产链条长、流程关联度高,着力提升生产流程中的实时感知能力、机理分析能力、模型预测能力、优化协同能力,分析、改造、优化企业业务流程,重点挖掘信息物理(CPS)系统中信息(知识)能力,将信息空间与物理空间有效结合起来,是流程制造业实现智能制造的重要内容之一。

实时感知能力

实时感知能力是基础。炼化企业实现智能制造必须对生产过程要素、环境有全面的感知,主要如:物料物性参数(原料、半成品、成品等)快速分析评价能力;工艺参数(温度、压力、流量等)实时检测能力;设备运行(震动、腐蚀、泄漏)动态监控能力;安全环境(可燃有毒有害气体、污染物、空气质量等)在线监测能力;各类物料及公用工程实时计量能力等。与上述能力密切相关的是感知仪器仪表的配备及网络功能,这些是信息物理(CPS)系统中的物理特征,需具备自动化、实时化特征。

机理分析能力

机理分析能力是保障。炼化企业实现智能制造必须对各类物料(包括添加剂、化工辅材)物理化学特性、反应机理有充分的认识,掌握物料结构中各要素的内在工作方式以及诸要素在一定环境条件下相互联系、相互作用的规则和原理(反应机理),利用有效的工具及软件,加以分析利用,充分发挥物料每一馏分的最大价值,实现工艺过程的可视化和分子炼油,是炼化企业信息物理(CPS)系统中信息体系最基本的要求。

模型预测能力

模型预测能力是手段。模型预测在炼化企业应用较为广泛,炼化企业智能制造必须有较强的模型预测能力,既有工艺路线模型,也有设备运行、安全环保、应急处理的模型,一些模型是基于机理的,也有一些模型是基于统计数据、大数据分析或经验积累的。模型预测是炼化企业信息物理(CPS)系统中信息体系追求的效果,需具备模型化特征。

协同优化能力

协同优化能力是目标。炼化企业智能制造必须有良好的协同优化能力,协同与优化是多方面的,既有装置操作、工艺流程、产品结构、能源系统之间的生产协同与优化,也有部门横向或纵向之间的业务流程协同与优化,其目的是最大限度提高管理效率、提高目的产品收率、提高安全环保管理水平。协同与优化是炼化企业信息物理(CPS)系统信息体系追求的目标,需具备智能化特征。

炼化企业开展智能制造面临的难度大、涉及因素多,需要统筹考虑。围绕炼化企业计划调度、安全环保、装置操作、能源管理等重点业务环节,开展智能化应用、提升四种能力是智能制造的重要内容,计划调度是生产运行管理重要内容之一,把握石油化工加工流程生产特点,实现从原料进厂、加工、质量分析、储运、产品出厂整个链条智能化应用是企业增效的源泉;安全环保是炼化企业实现可持续发展的前提条件,开展HSE管理、应急指挥、环境在线监测等智能化应用,为履行安全职责、建设社会满意的企业提供全方位支撑是发展的要求;开展先进控制、实时优化、装置区域优化、卡边操作等智能化应用是提高装置运行水平、提高经济效益、确保安全生产的重要手段;节能降耗是生产运行管理的永恒话题,在动力优化、瓦斯优化、氢气系统优化、合同能源管理等方面开展智能化应用,是炼化企业践行“绿色低碳”的重要行动。

炼化企业智能制造启示和展望

炼化企业是我国国民经济的基础工业、典型的传统产业,是流程最长、工艺最复杂的制造业之一。当前,要解决企业普遍面临着经济、环境、社会多目标协同发展以及市场竞争压力,十八大报告提出的坚持走中国特色新型工业化、信息化道路,大力推动“两化”深度融合,为行业的发展指明了方向。2015年5月,国务院出台《中国制造2025》纲要,围绕创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展等关键环节,以及先进制造、高端装备等重点领域,提出了加快制造业转型升级、提质增效的重大战略任务和重大政策举措,实现从制造大国向制造强国转变,为炼化企业开展智能制造明确了路线图。

尽管我国仍处于工业化进程中,流程制造业大而不强的问题依然突出,与先进国家相比有较大差距。但是,有理由相信,只要坚定不移地按照党中央、国务院部署,积极主动应对新一轮科技革命和产业变革,认真去落实、实践《中国制造2025》路线图,借鉴德国“工业4.0”经验,坚持创新驱动,围绕炼化企业重点关注的安全环保、生产运营、技术质量、节能降耗等内容开展智能化应用,努力提升实时感知、机理分析、模型预测、优化协同四种能力,炼化企业智能制造水平必将有新的飞跃。

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